WDMPON核心技术分析

tonyoy

WDMPON核心技术分析

1、引言
随着互联网的持续快速发展，各种新业务层出不穷，使人们对网络接入带宽的需求持续增加，特别是网络游戏、会议电视、视频点播等业务，使得传统的接入方式将无法满足带宽的需求。根据相关数据分析，未来3年用户平均带宽需求将超过10 Mbit/s。与其他有线、无线接入技术相比，光纤接入在带宽容量和覆盖距离方面具有无与伦比的优势。随着低成本PON（无源光网络）技术的出现和迅速成熟以及光纤光缆成本的快速下降，使运营商接入网光纤化的想法逐步得以实现。
目前PON是解决接入网“最后一公里”、实现FTTx的最具吸引力的技术。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低，这是PON在接入网发展中最具优势的一面。
PON按信号分配方式可以分为PSPON（功率分割型无源光网络）和WDMPON（波分复用型无源光网络）。目前的APON、BPON、EPON和GPON均属于PSPON，PSPON采用星型耦合器分路，上/下行传送采用TDMA/TDM方式实现信道带宽共享，分路器通过功率分配将OLT发出的信号分配到各个ONU上。WDMPON技术则是将波分复用技术运用在PON中，光分路器通过识别OLT发出的各种波长，将信号分配到各路ONU。虽然PSPON较为成熟，特别是E-PON、GPON，在北美、日本已经有较大规模的部署，但是PSPON仍然存在一些问题需要解决，例如快速比特同步、动态带宽分配、基线漂移、ONU的测距与延时补偿、突发模式光收发模块的设计等。部分问题虽然得到了解决，但是成本较大。例如，在上行的TDMA复用测距方面，光缆中信号每米传输时间大约为5 ns，而STM-1、STM-16、GE系统的比特周期分别只有6.4 ns、0.4 ns和0.8 ns。可见，随着速率的提高，测距和上行成帧的难度将会大幅度增加。基于波分复用技术的WDMPON采用波长作为用户端ONU标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较高的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时，它还可以避免TDMA技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面都有着明显的优势。随着技术的进步，波分复用光器件的成本，尤其是无源光器件成本大幅度下降，质优价廉的WDM器件不断出现，WDMPON技术将是接入网一个可以预见的发展趋势。下面对WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技术问题进行分析。
2、OLT光源的选择
目前有多种方法构造多波长光源。一种方法是选择一组波长接近的、离散的、可调谐的DFB激光器（DFB激光器阵列），利用温度调谐产生多波长的下行信号。由于DFB激光器阵列输出光谱可以通过控制温度统一调谐，容易实现波长监控，但由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，很难精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔的匹配。第二种方法是采用MFL（多频激光器）。MFL是一种基于集成半导体放大器和WGR（Waveguide Grating Router，波导光栅路由器）技术的新型WDM激光器。MFL包含N个光放大器和一个1?N的阵列波导光栅，阵列波导光栅的每个输入端集成一个光放大器。在光放大器和阵列波导光栅输出端之间形成一个光学腔，如果放大器的增益克服腔内的损耗，则有激光输出，输出波长由阵列波导光栅的滤波特性决定。通过直接调制各个放大器的偏置电流，就可以产生多波长的下行信号。MFL的波长间隔由阵列波导光栅中的波导长度差决定，可以精确控制，各波长可以通过控制同一个温度统一调节，便于波长监控。目前已经开发出16信道间隔为200 GHz和20信道间隔为400 GHz的MFL产品，直接调制速率为622 Mbit/s。第三种方法是比特交错光源。它使用了一个飞秒级（10-15，）光纤激光器来产生一个1.5μm附近70 nm谱宽的脉冲，这一脉冲被22 km长的标准单模光纤啁啾。随着脉冲的传输，数据可在高速调制器中以比特交错的方式被编码。
3、光分路器的选择
在WDMPON系统中，波分复用器通常被称为波长分路器，它解复用下行信号，并分配给指定的ONU，同时把上行信号复用到一根光纤，传输到OLT。波长分路器主要由AWG构成。目前在波长分路器实现当中需要关注的问题有串扰问题、温度稳定性问题和色散效应。
由于AWG器件隔离度的不理想和非线性光学效应的影响，其他光通道的信号会泄露到传输通道形成噪声，从而对系统性能造成影响。AWG由输入输出波导、平板波导和波导阵列组成。聚焦模场和输出波导的场分布不是矩形结构，这是串扰的最直接来源。目前已经有三种方法来抑制串扰：激光束逐点扫描法、变迹相位模板法、均匀相位模板法。
在WDMPON系统中，AWG器件一般都放在野外，环境温度变化比较大，由于AWG主要材料是石英，而石英的折射率随温度变化而变化，因此AWG复用的信道波长容易受温度的影响。因此当温度变化时，如何保证信道波长的稳定性是一个值得研究的问题。目前人们已研究出多种方法增强AWG的温度稳定性。其中，有利用折射率随温度作反方向变化的波导或在阵列波导之间刻蚀不同长度的凹槽的方法来实现温度控制，这些方法可以让AWG的光谱响应在-20～80 oC几乎没有变化。另外，也有利用聚合物材料制造阵列波导光栅，如丙稀盐酸和聚硅树脂，这些材料减少了热膨胀系数，使折射率得到控制。
随着WDMPON系统接入距离的增加，光纤和阵列波导的色散效应会导致系统误码率增加。目前解决色散效应比较好的方法是色散补偿光纤光栅，通过在AWG中加入补偿光纤光栅改善色散特性。色散补偿是对频率的二次相移所造成的脉冲展宽进行压缩补偿。如果波导光栅输出的响应频率的二次相移特性比较平坦，频带较宽且幅度满足要求，则认为此波导光栅的色散补偿特性较好。
4、ONU光源的选择
ONU光源的选择原则是易于安装维护、成本低、光谱应工作于WDMPON的整个波长范围内。目前有4种ONU光源。
（1）单频激光器
目前宽调谐单模DFB激光器阵列可以满足要求，但由于价格昂贵，仍处于实验阶段，距市场化应用还有一定距离。
（2）光环回
光环回技术是利用OLT发出的一部分下行光信号作为载波，在ONU中调制上行信号，再发送到OLT。光环回技术避免了使用ONU光源，但也存在一些缺点。它要求OLT光源输出功率很大，以支持上下行传输。如果没有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信号。为了在OLT和ONU间保持无源设备，放大器必须放在ONU内，这样就导致了ONU成本的增加。光环回的另一个缺点是，为了避免瑞利后向散射造成的较大干扰，必须将上下行信号分离在不同的光纤里进行传输，这样导致了光纤和路由器端口数量成倍增加，设备安装维护的复杂度提高。
（3）光谱分割
光谱分割的原理是：WDMPON利用宽带光源作为ONU的光源，发射光通过AWG后，输出信号的频谱是原来宽带信号的一部分，其波长取决于与ONU相连的复用器端口，输出信号复用到一根光纤上，在OLT通过解复用器到达目的接收机。目前WDMPON系统中普遍采用窄带光滤波器对宽频谱的光源进行频谱分割，使每个WDM信道获得惟一光波作为上行光源。频谱分割WDMPON系统采用宽带光源（如LED），与可调谐单频激光器相比，宽带光源具有设备简单、成本低的优点，因此对成本敏感的接入网很有吸引力。光谱分割的主要缺点是频谱分割导致光功率损耗很大（18 dB），而LED的入纤功率一般只有-10 dBm，造成功率预算紧张；引起信道间的串扰，限制了系统的动态范围；多模或宽带光源固有的几种噪声（模分散噪声、强度噪声、光差拍噪声）的存在，使调制速率受限。
（4）波长锁定FP激光器
最近基于波长锁定FP激光器的WDMPON系统被采纳并开始商用，该系统把FP激光器作为OLT和ONU的信号发射器。工作原理是：掺铒光纤放大器产生光谱放大自发辐射（ASE）信号，ASE信号通过OLT到达AWG，被AWG进行光谱分割后产生多个窄带信号，这些信号被注入不同的ONU的同一类型FP激光器中，迫使FP激光器产生单波长模式，抑制了多波长模式的产生。最新的产品可支持16个WDM信道，信道间隔为200 GHz，每信道速率为1.25 Gbit/s，可支持大约21 dB的ODN链路预算。
5、结束语
PON自出现以来，经过多年发展，形成了APON、EPON、GPON、WDMPON等一系列技术，而WDMPON结合了WDM技术和PON拓扑结构的优点，日益成为一种高性能的接入方式。目前WDMPON系统面临的最大困难在于器件成本过高，多数研究仍处于实验室的理论研究阶段。在光接入网方面表现突出的韩国，最近开始测试并小规模试商用WDMPON系统，其最大运营商KT与一家新兴器件公司Novera，于2005年开始合作进行5万户、16波的WDMPON实验。Novera的突破在于使局端设备不需要多个激光器从而降低了系统成本，并且使用了波长锁定和温度稳定AWG技术。该公司预测：利用特殊的光学技术，有可能将每用户成本降低到目前EPON每用户成本的2倍以下，随着使用量的增长价格还会降低。虽然WDMPON技术还不稳定，但相关器件技术的成熟和用户带宽需求的增长，必将推动业界和市场对WDMPON技术的持续关注。